专利名称：质子交换膜燃料电池发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用作例如家庭用的小型电源的质子交换膜燃料电池发电装置和该装置的排气热量回收装置。
在质子交换膜燃料电池发电装置中使用的固体高分子电解质膜通过包含水而用作质子导电性电解质。质子交换膜燃料电池是通过用水蒸气饱和反应空气或燃料气体等反应气体并将其供给至电极部而被运转。
当含有氢气的燃料气体被供给至燃料电极和空气被供给至空气电极时，将氢气分子分解成氢离子和电子的燃料电极反应是在燃料电极中进行，而在空气电极中进行由氧气同氢离子产生水的电化学反应。由此，通过电子从燃料电极至空气电极的外部电路移动通过而供给电力至负荷上，同时在空气电极侧产生水。
图7是现有的质子交换膜燃料电池发电装置(PEFC装置GS)的系统图。
使用燃料电池6的PEFC装置GS除了燃料电池6之外还含有例如排气热量回收装置RD。
该排气热量回收装置是通过热水循环路等连接至热水储存槽50、热交换机32、46、71和泵33、47、72。
燃料电池6具有由脱硫器2、重整器3、CO转变器4、CO除去器5等构成的燃料气体供给装置和由空气泵11、水槽21等构成的反应空气供给装置，燃料电极6a、空气电极6k等电极和由水槽21、泵48、冷却部6a等构成的燃料电池6的冷却装置。
由燃料电池6发电产生的电力是通过未图示出的直流(DC)/DC变换器升压、并通过未图示出的配电系统联合反向变换机供给至商用电源上。另一方面，从该电源上将电力供给至家庭或办公室等用于照明或空调机等的其它电气机械。
使用这种燃料电池6的PEFC装置GS在发电的同时产生热由此将城市供水生成热水，该热水被储存在热水存储槽50中，并供应该热水至浴室或厨房中。
在上述PEFC装置GS的燃料气体供给装置中，天然气、城市煤气、甲醇、液化石油气或丁烷等原燃料1被供给至脱硫器2，且在此处将硫组分从原燃料中除去。
经过该脱硫器2的原燃料是同升压泵10升压并供给至重整器3。原燃料在被供给的同时，与通过经由水泵22从水槽21供送热水、并在热交换器17中加热生成的水蒸气相混合。重整器3制得含有氢气、二氧化碳和一氧化碳的重整气体。将在重整器3中制得的重整气供给至CO转变器4，并在此将重整气中包含的一氧化碳转变成二氧化碳。将来自CO转变器4的气体供给至CO除去器5。在CO除去器5中，将在从CO转变器4供送的气体中的未转变的一氧化碳降低至10ppm以下，且将氢气浓度高的水煤气(重整气体)通过管道64供给至燃料电池6的燃料电极6a。
这时，通过调节从水槽21供给至重整器3的热水的量而调节在重整气中的水分浓度。
在反应空气供给装置中，将空气从空气泵11供给至水槽21中，且反应空气在水槽21中的热水中起泡并被送出至气相部53，由此对反应空气进行加湿。
将被加湿到使在燃料电池6中的反应被适度维持的反应空气从水槽21通过管25供给至燃料电池6的空气电极6k中。
在燃料电池6中，通过供给至燃料电极6a的重整气的氢气与通过空气泵11和水槽21的气相部53供给至空气电极6k的空气中的氧气进行的电化学反应而发电。
为了防止由于上述电化学反应的反应热等使得燃料电池6过热，燃料电池6的冷却装置是与燃料电池6的电极6a，6k同时设置。冷却装置将水槽21的热水作为冷却水用泵48循环至冷却部6c，且通过该冷却水将燃料电池6内的温度保持在适于发电的温度(例如70～80℃)。
在重整器3中的化学反应是吸热反应，所以提供使化学反应继续进行并同时提供过热的燃烧器12。将原燃料通过管13供给至燃烧器12，通过风扇14供给空气、通过管道15从燃料电极6a供给未反应的氢气。在该PEFC装置GS的起动时，通过管道13将原燃料供给至燃烧器12以进行燃烧，起动后，当燃料电池6的温度变得稳定时，切断从管道13供给原燃料，且取而代之的是，通过管道15供应从燃料电极6a排放的未反应的氢气(尾气)以使燃烧继续。
另一方面，在CO转变器4和CO除去器5中进行的化学反应是放热反应。在运转过程中，进行冷却控制以防止由于放热反应的热使得温度升高至反应温度以上。
这样，预定的化学反应和发电是继续在重整器3、CO转变器4、CO除去器5和燃料电池6中进行。
热交换器18、19是分别安装在上述重整器3和CO转变器4之间、CO转变器4和CO除去器5之间。
从水槽21供给的热水通过泵23、24在各个热交换器18、19中循环并分别冷却来自重整器3和CO转变器4的气体。也可在CO除去器5和燃料电池6之间安装未图示出的另一个热交换器以冷却来自CO除去器5的气体。
热交换器17是连接至重整器3的排气系统31。当通过泵22从水槽21供给热水时，热交换器17将该水蒸汽化，且该水蒸气与原燃料混合并供给至重整器3。
PEFC装置GS可具有一个过程气体燃烧器(PG燃烧器)34。
在PEFC装置GS起动时，通过重整器3、CO转变器4和CO除去器5供给的重整气的组成是没有达到燃料电池6的运转所优选的稳定的设定值。因此，在所述组成变得稳定之前，气体不能供给至燃料电池6中。直到每个反应器变得稳定之后，将气体组成没有达到设定值的气体导送至过程气体燃烧器34中并在其中燃烧。风扇37是用于输送燃烧用空气至过程气体燃烧器34中。
然后，在各反应器变得稳定且气体中一氧化碳浓度达到设定值(例如10～20ppm以下)之后，将气体导入至燃料电池6进行发电。将不能在燃料电池6的发电中使用的未反应气体首先导入至过程气体燃烧器34中并燃烧，并在燃料电池6的温度变得稳定之后，通过管道15将其导入至重整器3的燃烧器12中并燃烧。
在PEFC装置GS起动后、各反应器的温度变得稳定之前，将双位阀91关闭，将重整气通过管路35和双位阀36供给至燃烧器中。
在各反应器在温度方面变得稳定之后，在燃料电池6的温度变得稳定在运转温度附近的温度区域中之前，将双位阀91打开、双位阀92关闭，重整气体通过管路38和双位阀39供给至燃烧器34并在此进行燃烧。
燃料电池6的温度稳定在运转温度时和进行连续的发电时，双位阀91和双位阀92两者均被打开，而双位阀36和双位阀39被关闭，来自燃料电池6的未反应气体(尾气)通过管路15供给至燃烧器12。
将城市给水(自来水)通过水道管61供给至热水储存槽50中。供给至该热水储存槽50的城市给水是通过由PEFC装置GS产生的排气热量进行加热，且该被加热的水通过热水供给管62供给至屋内的厨房、洗面台、浴室等。
例如，将排气系统31连接至热交换器17之外的另一个热交换器32，且在热水储存槽50中的水通过泵33在热交换器32中循环，进行排气热量回收。
热交换器46是连接至过程气体燃烧器34的排气系统45，且热水储存槽50中的水通过泵47在热交换器46中循环从而在热水储存槽50中进行热回收。
通过泵23、24、48经由热交换器18、19返回的水或在燃料电池6的冷却部6c中循环的冷却水通过水管73流入水槽21中，且将用于供给水至水槽21中的水补给装置68连接至水槽21。
水补给装置68包含电磁阀56、供给槽67和泵74。供给槽67暂时储存由城市给水补给装置69和燃料电池6通过泵70生成的水，并将水供给至水槽21。
从燃料电池6产生的水例如包括将燃料电池6的空气电极6k中排出的气体导入热交换器71中、通过泵72在该热交换器71和热水储存槽50之间循环的冷却系统排出的水和从燃料电极6a中排出的气体中包含的水。
城市给水补给装置69是通过具有电磁阀76的水道管52连接至水源78，水位计79检测供给槽67的水量降低至预定的水位以下时，其通过水位控制装置77打开电磁阀76、利用水源78的水压通过水道管52、水处理装置(离子交换树脂)51将水补给至供给槽67，然后保持足以向水槽21中供水的水量。
水槽21包含用于保持水位以在槽中的上部形成空气部分(气相部)53的液面控制装置LC和用于将水槽21的水温保持在预定范围内的温度调节装置TC。
液面控制装置LC包含水位计54和电磁阀56以用于恒定地监视在水槽21内的水量、在槽内储存水以使得反应用空气在通过水槽21中被适度地加湿并供给至燃料电池6，且控制水量以在上部形成气相部53。当水位降低时，液面控制装置LC运转泵74，调整电磁阀56的开口度以通过管道84导入来自供给槽67的处理水、然后将水槽21内的水位保持在设定的范围内。
消波板55防止了水位计54对水位的检测由于起泡而变得不稳定。
温度调节装置TC将水槽21中的水温保持在例如60-80℃的温度(设定温度)范围之内以将供给至燃料电池6的空气电极6k的反应空气适度地加湿。
水温在必要时可通过安装在水槽21中的加热装置63进行控制。
如图7所示，热水储存槽50的水和燃料电池发电装置GS内的热交换器之间的热交换是使用槽和第一热交换器32(在重整装置中重整器3的燃烧器12产生的燃烧排气从中通过)之间的第一循环路R1、槽和第二热交换器46(由过程气体燃烧器34产生的燃烧排气从中通过)之间的第二循环路R2以及槽和第三热交换器71(燃料电池6的空气电极排出的未反应氧气从中通过)之间的第三循环路R3。换言之，热交换是在来自热水储存槽50的水和第一热交换器32、第二热交换器46和第三热交换器71每个中的燃烧排气或未反应氧气之间进行。
上述的PEFC装置GS具有发电和热利用的热电联产系统的构造，以致于燃料电池的发电效率增长且在该系统中使用的水被有效地再利用。
然而，当在燃料电池6的运转中热水储存槽50用预定温度的热水填满，且热水不能通过热水供给管62排放至外部时，则不能进行PEFC装置GS的排气热量回收。因此，为了将燃料电池6的冷却水温度保持在预定范围内，必须新设置另外的冷却装置例如散热器等或必须停止运转。散热器等冷却装置的新安装具有成本增加和使得PEFC装置GS的小型化变得困难的缺点。
另外，在装置停止时，例如水槽21内的水温降低而冻结时，水槽21和燃料电池6会受到损伤，同时会发生如下的重大问题水系统的配管、阀和泵等受到损伤从而不能再起动装置。
本发明的另一个目的是提供一种适用作例如家庭用的小型电源的可靠性好的质子交换膜燃料电池发电装置，其能够解决现有的上述问题，能够防止装置停止时水系统的冻结，并防止水槽21、燃料电池6、储存槽50、水系统的热交换器32、46、71等、配管类、阀类、泵类管道类由于冻结受到损伤。
在上述热水储存槽50的底部存在常温的城市给水层、在上部存在由于加热变轻的热水层。在不供应热水时，底部的城市给水通过热交换器加热而移动至上部，于是热水层逐渐增长，直至最后水槽完全被热水层充满。另一方面，在供水时，在上部的热水被取出而逐渐地减少了热水层，且随着热水量的损失城市给水被添加至底部使得城市给水层增长。因此，热水储存槽50的底部供给至热交换器的水的温度是不恒定的，则热交换器的热交换效率总是不同的。通过三个热交换器32、46、71的燃烧排气含有具有不同温度的未反应的氧气，热交换效率随着热水储存槽50供给的水的温度变化而波动，使得当温差是小的时，热交换效率是低下的。
本发明的再一个目的是提供一种用于燃料电池发电装置的改进的排气热量回收方法，其可在热水储存槽和燃料电池发电装置的多个热交换器之间有效地进行热交换。
本发明的权利要求1的质子交换膜燃料电池发电装置包含用于将天然气、城市煤气、甲醇、液化石油气或丁烷等燃料气重整成富氢的气体的重整器、用于转变一氧化碳的CO转变器、用于除去一氧化碳的CO除去器、用于在起动时在直至各反应器变得稳定之前燃烧氢气的过程气体燃烧器、用于使用氢气进行发电的燃料电池、用于储存冷却燃料电池用水的水槽，用于回收前述重整器、燃料电池、过程气体燃烧器等的排气的热并对水进行加热以制得热水的热交换器，和用于储存该热水的热水储存槽。
发电装置具有用于循环和供给热水A至热交换用水槽中的管线。如果必要，热水A是通过在连接至用于加热或冷却在水槽中的过程气体燃烧器的热交换器中交换热而制得。当水槽的水温变成预定的温度以上时，热水A是被循环和供给至所述管线中以冷却水槽中的水，或开动用于将燃烧用空气供给至过程气体燃烧器的风扇并使用连接至过程气体燃烧器的热交换器作为冷却器以降低热水A的温度，且将被冷却的热水A循环和供给至所述管线以冷却水槽中的水。由此，在水槽中的热水的温度是保持在预定的温度范围内。
本发明的权利要求2的质子交换膜燃料电池发电装置是根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中过程气体燃烧器在燃料电池起动时被燃烧，当水槽的水温低于预定的温度时，热水A就被循环和供给至所述管线以加热水槽中的水，而当水槽的水温高于预定温度时，热水A就不被供给至水槽中。
本发明的权利要求3的质子交换膜燃料电池发电装置是根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中在燃料电池发电时，所述过程气体燃烧器被停止，当水槽的水温低于预定的温度时，热水A就不被供送给水槽中，而当水槽的水温高于预定温度时，热水A就被供送给所述管线并回收热，由此将水槽中的热水保持在恒定的温度。
本发明的权利要求4的质子交换膜燃料电池发电装置是根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中当在发电时过程气体燃烧器不运转和热水储存槽被用热水充满时，当水槽的水温低于预定温度时，热水不被供送给所述管线，而当水槽的水温高于预定温度时仅仅起动用于供送燃烧用空气至过程气体燃烧器的风扇并使用连接至过程气体燃烧器的热交换器作为冷却器而降低热水A的温度，并将冷却后的热水A供送给所述管线以冷却水槽中的热水。由此，在水槽中热水的温度是保持在预定的温度范围内。
在本发明的权利要求5的质子交换膜燃料电池发电装置中，即使在运转过程中热水储存槽50是用预定温度的热水充满且热水不被通过热水供给管62排放至外部时，仅仅起动用于供送燃烧用空气至过程气体燃烧器的风扇并使用连接至过程气体燃烧器的热交换器作为冷却器而降低热水A的温度，然后将冷却后的热水A供送给所述管线以冷却水槽中的热水。由此，在另外不设置散热器等新的冷却装置和不停止运转燃料电池发电装置的情况下，能够将燃料电池6的冷却水的温度维持在预定的温度范围内。
在装置停止时水系统可能会冻结的场合，所述发电装置具有一个控制系统，其通过检测在装置停止时冻结的可能性而燃烧前述的过程气体燃烧器以防止冻结或不燃烧该过程气体燃烧器而通过在所述水系统的一部分或全部中循环来自所述热水储存槽的热水而防止冻结。
本发明的权利要求6的质子交换膜燃料电池发电装置通过开动供送冷却水至燃料电池的冷却部的泵以循环所述水槽中的水而加热燃料电池本体从而防止冻结。
本发明的权利要求7的质子交换膜燃料电池发电装置在当所述水槽或燃料电池本体的温度是在预定温度以上时，将所述的过程气体燃烧器在其燃烧时停止、并停止排气热量回收用泵。
在本发明的权利要求8的质子交换膜燃料电池发电装置中，检测冻结可能性的手段是检测水槽的温度的手段。当水槽的温度是在预定温度值以下时，燃烧所述过程气体燃烧器以加热热水储存槽中的热水且使热水在水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
在本发明的权利要求9的质子交换膜燃料电池发电装置中，检测冻结可能性的手段是检测燃料电池本体的温度的手段。当燃料电池本体的温度是在预定温度值以下时，燃烧所述过程气体燃烧器以加热热水储存槽中的热水且使热水在水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
在本发明的权利要求10的质子交换膜燃料电池发电装置中，检测冻结可能性的手段是检测发电装置内的氛围气的温度的手段。当氛围气的温度是在预定温度值以下时，燃烧所述过程气体燃烧器以加热热水储存槽中的热水且使热水在水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
本发明的质子交换膜燃料电池发电装置具有下列的控制系统。在发电装置停止时，例如在水槽21中的水的温度是降低至2℃时或者燃料电池6本体的温度或发电装置内的氛围气的温度降低至可能发生冻结的温度时，控制系统检测到有发生冻结的可能性，就燃烧过程气体燃烧器34以加热热水储存槽50中的热水，在含有水槽21的所述水系统的一部分或全部中循环热水，并操作泵48以在燃料电池6的冷却部6c中循环热水以增长燃料电池6本体的温度，由此防止冻结。或者，控制系统不燃烧过程气体燃烧器34，而是在热水储存槽50中循环热水，由此防止冻结。因此，可防止由于冻结引起燃料电池6本体、水槽21、燃料电池6、热水储存槽50、水系统的热交换器32、46、71等、配管类、阀类、泵类、管道类等受到损伤，在寒冷地区或在冬季节约了维护人力，同时提高了可靠性，且例如，在寒冷地区可适用作家庭用小型电源。
本发明提供一种燃料电池发电装置的排气热量回收方法，其中热水储存槽和安装在燃料电池发电装置中的多个热交换器通过管道相互连接以形成环形管路，然后热水储存槽内的水经由该管路依次通过各热交换器以使水加热。
在燃料电池发电装置的排气热量回收的这个方法中，与来自热水储存槽的水的热交换过程中，通过各个热交换器的顺序是从低温水平到高温水平。所述热交换器包含用于与来自重整装置的重整燃烧器的燃烧尾气进行热交换的第一热交换器，用于与来自过程气体燃烧器的燃烧尾气进行热交换的第二热交换器，与燃料电池关联设置的第三热交换器、与来自所述重整燃烧器和处理气体的燃烧排气和来自所述燃料电池的未反应氧气流入的管路关联设置的第四热交换器。
在上述燃料电池发电装置中，形成一环形管路，是其从热水储存槽依次经过第四热交换器、第三热交换器、和第一热交换器并回到热水储存槽。同时，在管路的热交换器和热水储存槽之间安装第一双位阀以使得从第一双位阀和第一热交换器之间的中间部分支出来一支管以连接至水槽从而供应冷却水至燃料电池和热水储存槽。在支管中水槽的上流侧，设置第二双位阀。当在燃料电池发电时水槽的水温在预定温度值以上时，第一双位阀被关闭而第二双位阀被打开以使得水通过支管从而从水槽中回收热。当水槽的水温是在预定温度值以下时，第一双位阀被打开而第二双位阀被关闭而不供给水至所述支管中。
在本发明中，不是采用将热水储存槽连接至多个热交换器以形成多个循环路的结构，而是采用设置一系列环状管路以连接多个热交换器且水是从低温的热交换器依次供给至高温的热交换器。因此，即使来自热水储存槽的水的温度波动，也可增长每个热交换器的热交换效率。
图2是
图1中所示的本发明的质子交换膜燃料电池发电装置的热回收装置的热水流动的一实施方案的说明图。
图3是图1中所示的本发明的质子交换膜燃料电池发电装置的热回收装置的热水流动的另一实施方案的说明图。
图4是在图1中所示的本发明的质子交换膜燃料电池发电装置中用于防止冻结的热水流动的一实施方案的说明图。
图5是在图1中所示的本发明的质子交换膜燃料电池发电装置中用于防止冻结的热水流动的另一实施方案的说明图。
图6是显示排气热量回收方法的另一实施方案的热回收路径要部的方框图。
图7是现有的质子交换膜燃料电池发电装置的系统图。
发明实施的最佳方式下面，参照附图详细地说明本发明的实施方案。
图1至图6显示了本发明的质子交换膜燃料电池发电装置的一实施方案的系统图。
在图1至图6中，与图7的构成部分相同的构成部分具有相同的参考号，而省略了重复的说明。
在图1中所示的本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GSI在排气系统31的热交换器32、排气系统45的热交换器46和燃料电池6的空气电极K排出的气体的热交换器71之后，还设置热交换器HEX，以及管线L1，该管线L1是用于传送热水A至水槽21并具有热交换功能，该热水A储存在热水储存槽50的水借助于泵通过它在热交换器HEX、热交换器71、32、46之中循环从而回收排气热量。当热水不需要通过管线L1供给至水槽21时，发电装置具有供给热水A至热水储存槽50中的管线L2。管线L1具有双位阀82，而管线L2具有双位阀81。水管73具有一个显示冷却水温度的温度计T1以及用于检测水槽21的温度的温度计T2。本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GS1是类似于图7中所示的质子交换膜燃料电池发电装置GS，例外之处是该发电装置GS1具有热回收装置RD1。
1、(本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GS1的起动时)在燃料电池6的起动时，开动风扇37和过程气体燃烧器34。当水槽21的水温(用温度计T测定的水温)是低于预定的温度(例如，80℃以下)时，双位阀81被关闭而双位阀82被打开以将回收了排气热量的热水A循环和供给至管线L1中以加热水槽21中的水(参见图2，图2中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止)。
另外，在燃料电池6的起动时，开动风扇37和过程气体燃烧器34。当水槽21的水温(用温度计T测定的水温)是高于预定的温度(例如，80℃以上)时，双位阀81被打开而双位阀82被关闭以将回收了排气热量的热水A通过管线L2中供给至热水储存槽50中(参见图3，图3中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止)。
2、(本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GS1的发电时)在燃料电池6的发电时，停止了风扇37和过程气体燃烧器34的开动。当热水储存槽50未用热水充满时和水槽21的水温(用温度计T测定的水温)是低于预定的温度(例如，80℃以下)时，双位阀81被打开而双位阀82被关闭以不将热水A供给至管线L1中、而是将回收了排气热量的热水A通过管线L2中供给至热水储存槽50中(参见图3，图3中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止)。
另外，在燃料电池6的发电时，停止了风扇37和过程气体燃烧器34的开动。当热水储存槽50未用热水充满时和水槽21的水温(用温度计T测定的水温)是高于预定的温度(例如，80℃以上)时，双位阀81被关闭而双位阀82被打开以将热水A循环和供给至管线L1中以冷却水槽21中的水(参见图2，图2中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止)。
3、(本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GS1发电时和热水储存槽50用热水充满的情况下)在燃料电池6发电中，当热水储存槽50用预定温度的热水充满，且热水不通过热水供给管62供给至外部时，PEFC装置GS1的排气热量不能被回收，所以当水槽21的水温(用温度计T测定的水温)高于预定的温度(例如，80℃以上)时，仅仅开动用于将燃烧用空气供送至过程气体燃烧器34中的风扇37并使用与过程气体燃烧器34相连结的热交换器46作为热水A的冷却器以降低热水A的温度，冷却后的热水A通过关闭双位阀81和打开双位阀82而被循环供送至管线L1以冷却水槽21中的水(参见图2，图2中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止)。
当水槽21的水温(用温度计测定的水温)是低于预定的温度(例如，80℃以下)时，双位阀81被打开而双位阀82被关闭以不将热水A供给至管线L1中、而是将回收了排气热量的热水A通过管线L2供给至热水储存槽50中(参见图3，图3中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止)。
双位阀81、82的开或关、风扇37和过程气体燃烧器34的开动或停止等可手动地进行，但是优选是通过控制装置(图中未示出)自动地进行。
4、(本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GS1停止时、水槽21中的水具有冻结可能时)在图5中，当水槽21的水温(用温度计T2一直监视和测定的水温)低于预定的温度(例如，2℃以下)而具有冻结可能时，由一控制装置(图中未示出)发送信号至过程气体燃烧器34、风扇37、双位阀81、82和泵P从而开动风扇37、开动并点燃过程气体燃烧器34。同时关闭管线L2的双位阀81，打开管线L1的双位阀82，并开动泵P以将含有由连接至过程气体燃烧器34中的热交换器46中回收热的升温的热水A的热水储存槽50中的热水循环至管线L1以将水槽21中的水加热(参见图5，粗实线表示热水的流动，且图5中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动状况)。
当燃料电池6本体的温度检测手段(温度计)(图中未示出)显示在预定温度以下(例如2℃以下)而可能冻结燃料电池6本体时，如上述同样地起动过程气体燃烧器34以循环热水并由一控制装置(图中未示出)发送信号至泵48以开动泵48、由此在燃料电池6的冷却部6c循环热水从而增高燃料电池6本体的温度以防止冻结。
当燃料电池发电装置GS1中的氛围气的温度检测手段(温度计)(图中未示出)显示在预定温度以下(例如2℃以下)而可能冻结水系统时，如上述同样地起动过程气体燃烧器34以循环热水并由一控制装置(图中未示出)发送信号至泵48以开动泵48、由此在燃料电池6的冷却部6c循环热水从而增高燃料电池6本体的温度以防止冻结。
过程气体燃烧器34的操作已经在前面描述过。然而，可以不燃烧过程气体燃烧器34而使热水储存槽50的热水在所述水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
当水槽21的水温(由温度计T2测定的水温)变成例如10℃以上时，一控制装置(图中未示出)发送一信号至过程气体燃烧器34、风扇37和泵37(排气热量回收用泵)以停止它们的操作。由此，通过间断地起动泵P、过程气体燃烧器34和风扇37而可防止冻结。
5、(本发明的质子交换膜燃料电池发电装置GS1停止时、含有热水储存槽50的水系统中的水具有冻结可能时)当水槽21的水温(用温度计T2一直监视和测定的水温)高于预定的温度(例如，2℃以上)，而由安装在含有热水储存槽50的水系统中的未图示出的另一温度计一直监视和测定的水温在预定温度以下(例如，2℃以下)而具有冻结可能时，由一控制装置(图中未示出)发送信号至过程气体燃烧器34、风扇37、双位阀81、82和泵P从而开动风扇37、开动并点燃过程气体燃烧器34，同时打开管线L2的双位阀81，关闭管线L1的双位阀82，并开动泵P以将通过连接至过程气体燃烧器34中的热交换器46回收了排气热量的热水A循环至热水储存槽50中以将含有热水储存槽50的水系统中的水加热(参见图5，粗实线表示热水的流动，且图5中的表格显示了双位阀81、82的开/关状态以及风扇37和过程气体燃烧器34的开动状况)。
当含有热水储存槽50的水系统中的水温变成例如10℃以上时，一控制装置(图中未示出)发送一信号至过程气体燃烧器34、风扇37和泵37(排气热量回收用泵)以使它们停止运转。由此，可通过间断地开动泵P、过程气体燃烧器34和风扇37而防止冻结。
6.(排气热量回收方法1)燃料电池6在大约80℃下正常运转，但是由电化学反应引起的发热有时使温度增长。为了防止这个温度增长，通过泵48将水从水槽21供给至燃料电池6的冷却部以冷却燃料电池6。冷却后的水回到水槽21，但是在水槽21中的水量逐渐减少，因此每间隔一段时间，就要适当补充水。在这种情况下将从水槽中供给用离子交换树脂51净化而制得的并保存在供给槽67中的纯净水供给。也将由第三热交换器71提供的水分(包括在未反应氧气中的水分)混入至供给槽67中。
在燃料电池发电装置的运转中，将热水储存槽50的底部的水(常温、例如20℃)用泵P抽出并通过第一管路S1供送至第四热交换器HEX中。通过该第四热交换器HEX的排气是来自管路96中重整燃烧器12的燃烧排气、来自过程气体燃烧器34的燃烧排气和来自燃料电池6的未反应氧气的混合气。来自重整燃烧器12的燃烧排气在途中通过气化器9和第一热交换器32，因此，其温度降低。来自过程气体燃烧器34的燃烧排气在途中也通过第二热交换器46，因此它的温度也降低。来自燃料电池6的未反应气体通过第三热交换器71，因此它的温度降低。因此，通过第四热交换器HEX的混合气的温度水平是低的，大约50～60℃。
将由第四热交换器HEX加热的水通过第二管路S2供给至第三热交换器71中。在该第三热交换器71中，水的热量是同从燃料电池6的空气电极中排出的未反应氧气之间进行热交换，其中的温度水平是约70～80℃。
其次，将热水通过第三管路S3供给至第一热交换器32，且其热量是与通过第一热交换器32的燃烧排气进行热交换。该燃烧排气是来自重整燃烧器12的燃烧排气，但是因为通过气化器9，所以温度水平是约100～120℃。
将热水进一步从第一热交换器32通过第四管路S4供送至第二热交换器46，且其热量同来自过程气体燃烧器34的燃烧排气之间进行热交换。第二热交换器46中的温度水平是约150～180℃。通过第五管路S5热水从第二热交换器46供给至热水储存槽50的上部。这时，打开第一双位阀1并关闭第二双位阀2。
过程气体燃烧器34是在起动和停止时重整气体不稳定的阶段进行燃烧。在重整气体稳定之后，由于燃烧停止，在燃料电池6发电过程中，第二热交换器46不进行热交换。另一方面，重整器3的燃烧器12是继续进行燃烧以将在燃料电池6发电过程中在重整器3的内部充填的催化剂保持预定的温度。如前所述，所需的燃料供给是通过将来自燃料电池6的燃料电极排出的未反应氧气供送至燃烧器12而实现。
热水储存槽50的底部的水是依次从温度水平低的热交换器至温度水平高的热交换器中通过，变成约60～70℃的热水，并返回至热水储存槽50的上部。这样，随着水温逐渐上升，每个热交换器分别对应于水温条件，各热交换器中的热交换效率可以极高。
7.(排气热量回收方法2)图6显示了本发明的排气热量回收方法的另一个实施方案，且仅仅是图1的燃料电池发电装置的结构中要部的方框图。
由此，形成了一个环形管路，其是从热水储存槽50依次通过第四热交换器HEX、第三热交换器71和第一热交换器32，然后回到热水储存槽50。第一双位阀V1是安装在该管路中第一热交换器32和热水储存槽50之间。另外，在第一双位阀V1和第一热交换器32的中间部分设置一支管，其是将来自水槽21的冷却水供给至燃料电池6并到达热水储存槽50的一个支路。并且在支管中水槽21的上游侧安装第二双位阀V2。
在燃料电池6发电时，当水槽21的水温是在预定温度(例如80℃)以上时，将第一双位阀V1关闭且同时打开第二双位阀V2。通过泵P从热水储存槽50中抽取的水是依次通过第四热交换器HEX、第三热交换器71、第一热交换器32，且然后经由支管通过水槽21，然后回到热水储存槽50。这样，在储存槽50中的热水的循环使得可回收水槽21的热量。
相反地，当水槽21的水温是在预定温度(例如76℃)以下时，将第一双位阀V1打开且同时关闭第二双位阀V2。将从热水储存槽50中抽取的水通过泵P依次供给至第四热交换器HEX、第三热交换器71、第一热交换器32，然后回到热水储存槽50，且它是不通过支管供给至水槽21。换句话说，在温度为76℃以下的条件下，就不从水槽21中回收热量。
在燃料电池发电装置的运转停止时，燃料电池6被冷却，同时水槽21内的水温降低，且在冬季中，将水供送至水槽21中。对于供送热水至水槽21中而言，是将第一双位阀V1关闭并将第二双位阀V2打开从而将热水导入支管以将热水供给至水槽21中。然后，热水返回至热水储存槽50中。
在燃料电池6的发电过程中当水槽21的水温上升至一定温度(例如76℃)时，将第二双位阀V2关闭并将第一双位阀V1打开以停止将热水供给至水槽21中而将热水供给至热水储存槽50中。当水槽21的水温上升至一定温度(例如80℃)时，将双位阀V2打开并将双位阀V1关闭以将热水供给至水槽21中，回收水槽21中的热，同时将回收的热供给至热水储存槽50的上部。
当水槽21中的水被加热时，通过水槽供送给燃料电池6的空气电极中的空气被加热，由此燃料电池6在短时间内被加热，缩短了运转开始前的启动时间。
上述实施方案的说明是用于说明本发明，而不是用于限定在权利要求的范围内记载的发明或缩减其范围。本发明的各个组成部分也不限制成上述的实施方案，可以在权利要求涵盖的技术范围内进行各种变形。
本发明的质子交换交换膜燃料电池发电装置具有发电和热利用的热电联供系统的配置。这意味着，本发明具有的优势不仅在于燃料电池的发电效率，而且在于在该系统中使用的水的有效的再利用，同时即使在运转过程中热水储存槽50充满热水，且没有供给热水供给管供送热水至外部时，也可在不停止燃料电池发电装置、在水槽中不安装散热器等冷却装置的情况下，将燃料电池的冷却水的温度维持在预定的温度范围。由此可使得发电装置小型化。
本发明的权利要求5所述的质子交换膜燃料电池发电装置使得燃料电池的维护步骤变得相当简单化和具有用于发电和热利用的热电联供系统的配置。这意味着，燃料电池的发电效率是增长且在系统中回收利用水是相当有效的。另外，在装置停止时，可自动地防止水系统的冻结。可防止由于冻结引起水槽、燃料电池、热水储存槽、水系统的热交换器类、配管类、阀类、泵类、管道类等受到损伤，在寒冷地区或在冬季节约了维护工作，提高了装置寿命且同时提高了可靠性。
本发明的权利要求5所述的质子交换膜燃料电池发电装置在不燃烧过程气体燃烧器的情况下在装置停止时，可自动地且容易地防止水系统的冻结。
本发明的权利要求6所述的质子交换膜燃料电池发电装置通过起动用于供送冷却水至燃料电池的冷却部、以及通过循环水槽内的水而加热燃料电池从而有效地防止冻结，并可更有效地防止燃料电池本体因冻结而受到损伤。
本发明的权利要求7所述的质子交换膜燃料电池发电装置在水槽或燃料电池本体的温度变得高于预定温度时，可停止过程气体燃烧器、然后停止排气热量回收泵。因此，可使防止冻结所需的能量完全最小化。
在本发明的权利要求8所述的质子交换膜燃料电池发电装置中，检测冻结的手段就是检测水槽温度的手段，当水槽的温度变成预定温度值以下时，使过程气体燃烧器燃烧以加热在热水储存槽中的热水并使热水在所述水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。因此，可有效地防止水槽和所述水系统因冻结而受到损伤。
在本发明的权利要求9所述的质子交换膜燃料电池发电装置中，检测冻结的手段就是检测燃料电池本体温度的手段，当燃料电池本体的温度变成预定温度值以下时，使过程气体燃烧器燃烧以加热在热水储存槽中的热水并使热水在所述水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。因此，可有效地防止燃料电池本体和所述水系统因冻结而受到损伤。
在本发明的权利要求10所述的质子交换膜燃料电池发电装置中，检测冻结的手段就是检测所述发电装置内的氛围气的温度的手段，当氛围气的温度变成预定温度值以下时，使过程气体燃烧器燃烧以加热在热水储存槽中的热水并使热水在所述水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。因此，可有效地防止燃料电池本体和所述水系统因冻结而受到损伤。
本发明的权利要求5-10所述的质子交换膜燃料电池发电装置不仅具有上述的效果，而且具有与权利要求1所述的发明相同的作用效果。
工业实用性如上所述，将从热水储存槽的底部抽出的水通过与多个热交换器相连接的一系列环状管路。在这个加热步骤中，热水储存槽中的热水是通过来自燃料电池发电装置的排气热量加热并被设置成依次从低温度水平的热交换器向高温度水平的热交换器通过。结果，各热交换器的热交换效率可大大地提高。可防止在装置停止时水系统的冻结，且可防止由于冻结引起水槽、燃料电池、热水储存槽、热交换器等、配管类、阀类、泵类、管道类等受到损伤。由此，发电装置具有高的可靠性，且足以用作家庭用等小型电源。同时，在燃料电池发电时，根据水槽中的水温条件而操作两个双位阀可有效地回收水槽中的热。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池发电装置，其包含用于将天然气、城市煤气、甲醇、液化石油气或丁烷等燃料气重整成富氢的气体的重整器；用于转变一氧化碳的CO转变器；用于除去一氧化碳的CO除去器；在起动时用于在直至各反应器变得稳定之前燃烧氢气的过程气体燃烧器；用于使用氢气进行发电的燃料电池；用于储存冷却燃料电池用水的水槽；用于回收前述重整器、燃料电池、过程气体燃烧器等的排气的热以制得热水的热交换器；和用于储存该热水的热水储存槽；其中所述发电装置具有用于循环和供给热水A至热交换用水槽中的管线，如果必要，热水A是由交换连接至用于加热或冷却在水槽中的过程气体燃烧器的热交换器中的热而制得；其中当水槽的水温变成预定的温度以上时，热水A是被循环和供给至所述管线中以冷却水槽中的水，或运转用于将燃烧用空气供给至过程气体燃烧器的风扇并使用连接至过程气体燃烧器的热交换器作为冷却器以降低热水A的温度，且被冷却后的热水A被循环和供给至所述管线以冷却水槽中的水。由此，在水槽中的热水的温度是保持在预定的温度范围内。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中过程气体燃烧器在燃料电池起动时被燃烧，当水槽的水温低于预定的温度时，热水A就被循环和供给至所述管线以加热水槽中的水，和当水槽的水温高于预定温度时，热水A就不被供给至水槽中。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中在燃料电池发电时，所述过程气体燃烧器被停止，和当水槽的水温低于预定的温度时，热水A就不被供送给水槽中，而当水槽的水温高于预定温度时，热水A就被供送给所述水槽并回收热，由此将水槽中的热水保持在恒定的温度。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中当在发电时，过程气体燃烧器不运转和热水储存槽被用热水充满时，当水槽的水温低于预定温度时，热水不被供送给所述管线，而当水槽的水温高于预定温度时，仅仅起动用于供送燃烧用空气至过程气体燃烧器的风扇并使用连接至过程气体燃烧器的热交换器作为冷却器而降低水槽中的热水A的温度，并将冷却后的热水A供送给所述管线以冷却水槽中的热水，由此在水槽中热水的温度是保持在预定的温度范围内。
5.一种质子交换膜燃料电池发电装置，其包含用于将天然气、城市煤气、甲醇、液化石油气或丁烷等燃料气重整成富氢的气体的重整器；用于转变一氧化碳的CO转变器；用于除去一氧化碳的CO除去器；在起动时用于在直至各反应器变得稳定之前燃烧氢气的过程气体燃烧器；用于使用氢气进行发电的燃料电池；用于储存冷却燃料电池用水的水槽；用于回收前述重整器、燃料电池、过程气体燃烧器等的排气的热以制得热水的热交换器；和用于储存该热水的热水储存槽；其中所述发电装置具有一个控制系统，在装置停止时水系统可能会冻结的场合，该控制系统通过检测在装置停止时冻结的可能性而燃烧前述的过程气体燃烧器而防止冻结或不燃烧该过程气体燃烧器而通过在水系统的一部分或全部中循环所述热水储存槽的热水而防止冻结。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中通过开动送冷却水至燃料电池的冷却部的泵以循环所述水槽中的水以加热燃料电池本体从而防止冻结。
7.根据权利要求5或6所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中在所述水槽或燃料电池本体的温度在预定温度以上时，将所述的过程气体燃烧器在其燃烧时停止、并停止排气热量回收用泵。
8.根据权利要求5，6或7之一所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中检测冻结可能性的手段是检测所述水槽的温度的手段，且当水槽的温度是在预定温度值以下时，燃烧所述过程气体燃烧器以加热热水储存槽中的热水且使热水在水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
9.根据权利要求5，6，7或8之一所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中检测冻结可能性的手段是检测燃料电池本体的温度的手段，且当燃料电池的温度是在预定温度值以下时，燃烧所述过程气体燃烧器以加热热水储存槽中的热水且使热水在水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
10.根据权利要求5，6，7，8或9之一所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中检测冻结可能性的手段是检测发电装置内的氛围气的温度的手段，且当氛围气的温度是在预定温度值以下时，燃烧所述过程气体燃烧器以加热热水储存槽中的热水且使热水在水系统的一部分或全部中循环以防止冻结。
11.一种质子交换膜燃料电池发电装置，其包含用于将天然气、城市煤气、甲醇、液化石油气或丁烷等燃料气重整成富氢的气体的重整器；用于转变一氧化碳的CO转变器；用于除去一氧化碳的CO除去器；在起动时用于在直至各反应器变得稳定之前燃烧氢气的过程气体燃烧器；用于使用氢气进行发电的燃料电池；用于储存冷却燃料电池用水的水槽；用于回收前述重整器、燃料电池、过程气体燃烧器等的排气的热以制得热水的热交换器；和用于储存该热水的热水储存槽；其中热水储存槽和安装在燃料电池发电装置中的多个热交换器通过管道相互连接以形成环形管路，而热水储存槽内的水经由该管路依次通过各热交换器以使水加热。
12.根据权利要求11所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中与来自热水储存槽的水的热交换过程中，热水通过各个热交换器的顺序是从低温水平到高温水平。
13.根据权利要求11或12所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中所述热交换器包含用于与来自重整装置的重整燃烧器的燃烧尾气进行热交换的第一热交换器，用于与来自过程气体燃烧器的燃烧尾气进行热交换的第二热交换器，与燃料电池关联设置的第三热交换器、与来自所述重整燃烧器和处理气体的燃烧排气和来自所述燃料电池的未反应氧气流入的管路关联设置的第四热交换器。
14.根据权利要求11所述的质子交换膜燃料电池发电装置，其中形成一环形管路，其从热水储存槽依次通过权利要求13所述的第四热交换器、第三热交换器、和第一热交换器并回到热水储存槽；同时在管路的热交换器和热水储存槽之间安装第一双位阀，从第一双位阀和第一热交换器之间的中间分支出来一支管以经由向燃料电池供给冷却水的水槽到达热水储存槽，在支管中水槽的上流侧，设置第二双位阀，和当在燃料电池发电时水槽的水温在预定温度值以上时，第一双位阀被关闭而第二双位阀被打开以使得水通过支管从而从水槽中回收热；当水槽的水温是在预定温度值以下时，第一双位阀被打开而第二双位阀被关闭而不供给水至所述支管中。
全文摘要
本发明提供一种适用作家庭用小型电源的质子交换膜燃料电池发电装置，其包含用于将燃料气重整成富氢的气体的重整器、CO转变器、CO除去器、在起动时用于在直至各反应器变得稳定之前燃烧氢气的过程气体燃烧器、燃料电池、用于储存冷却燃料电池用水的水槽，用于回收前述重整器的排气的热以制得热水的热交换器，和用于储存该热水的热水储存槽，其中提供一用于循环供给热水(是由连接至过程气体燃烧器的热交换器进行热交换)至水槽以使其被热交换的管线，并将温度受控的热水循环供给至该管线，由此如下问题得以解决在热水储存槽在运转过程中被充满，当热水不被排放至外部时，不能收集排气热量，且燃料电池的冷却水的温度不能保持在预定的温度范围内。
文档编号H01M8/04GK1455966SQ02800070
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月9日 优先权日2001年1月12日
发明者田岛收, 小田胜也, 畑山龙次, 汤川竜司, 黄木丈俊, 藤生昭, 进藤浩二, 田岛一弘, 山本聪史, 槙原胜行, 宫井惠吾, 门胁正天, 上田雅敏 申请人:三洋电机株式会社